Действие чрезвычайно сильного магнитного поля может переводить физический вакуум в такое состояние, в котором он будет вести себя подобно сверхпроводнику

Российский физик Максим Чернодуб, работающий в Университете им. Франсуа Рабле (Франция), установил, что действие чрезвычайно сильного магнитного поля может переводить физический вакуум в такое состояние, в котором он будет вести себя подобно сверхпроводнику.

Зарегистрированное детектором CMS Большого адронного коллайдера столкновение ионов свинца, которое могло бы дать какую-то информацию о«сверхпроводящем»вакууме. (Иллюстрация ЦЕРН.)

 

Объяснение свойствам традиционных сверхпроводников даёт, напомним, теория Бардина—Купера—Шриффера. Обычно механизм сверхпроводимости рассматривают на примере простой кубической кристаллической решётки, составленной из положительно заряженных ионов. При прохождении электрона ионы, находящиеся ближе всего к нему, приобретают импульс в направлении, перпендикулярном его траектории, и смещаются. За движущимся электроном, таким образом, следует область избыточного положительного заряда, который притягивает другой электрон. Всё это заканчивается образованием связанногосостояния двух электронов, куперовской пары.

Спин электрона, как известно, равен 1/2, но куперовскую пару можно считать композитным бозоном—частицей с целым спином. Бозоны подчиняются статистике Бозе—Эйнштейна, допускающей нахождение в одном квантовом состоянии нескольких частиц; следовательно, куперовским парам доступен процесс (бозе-эйнштейновской)«конденсации»в одно основное квантовое состояние. При этом разрыв одной пары, который обязательно сопровождается изменением энергий всего остального множества пар, требует значительной энергии, равной 2Δ,гдеΔ—так называемая сверхпроводящая щель. ШиринаΔзависит от температуры и в тот момент, когда последняя поднимается до критического значения, сравнивается с нулём, но при более низких температурах«коллективные»действия куперовских пар ведут к сверхпроводимости.

Экспериментально доказано, что сильное внешнее магнитное поле разрушает сверхпроводящее состояние вещества. Известен, однако, и пример более сложного взаимодействия: у соединения урана URhGe в поле с индукцией в 2 Тл сверхпроводимость уходит, а с повышением индукции до 8 Тл—возвращается. Эффект, до некоторой степени аналогичный этому, и попытался описать г-н Чернодуб.

Упоминаемый учёным вакуум нужно понимать не как среду, содержащую газ при низком давлении, а какфизическийвакуум, в котором постоянно рождаются и исчезают виртуальные частицы. Рождённые кварк и антикварк могут объединяться с образованием заряженного ро-мезона, среднеевремя жизни которого составляет 4,5•10^–24с. Если рассматривать ро-мезон как свободную частицу, на фоне однородного магнитного поля с индукциейBэнергия её основного состояния выражается формулойE²(B)=m²–e•B.Здесьm—масса ро-мезона (775,5 МэВ), аe—элементарный электрический заряд. ПриB_с=m²/e~ 10¹⁶Тл энергия, таким образом, сводится к нулю.

С дальнейшим повышением индукции энергия основного состояния становится чисто мнимой, и именно здесь, по расчётам автора, создаются условия для«конденсации»заряженных ро-мезонов. Результат этого аналогичен переходу в сверхпроводящее состояние, причём эффект будет сохраняться только в одном направлении—вдоль магнитного поля.

Такие вычисления не имели бы смысла, если бы время жизни ро-мезонов оставалось на прежнем уровне. Г-н Чернодуб, однако, показал, что сильное магнитное поле с индукцией около 0,36•10¹⁶Тл«закрывает»основной канал распада ро-мезонов на заряженные пионы. Следовательно, сверхпроводящий конденсат должен быть относительно стабильным.

Всё вышесказанное относится к холодному вакууму, то есть к условию нулевой температуры. Из общих соображений можно заключить, что рост температуры должен, как и утрадиционных материалов, разрушать сверхпроводящее состояние.

Область сверхпроводимости на этом графике, связывающем температуру и индукцию поля, находится справа от кривой. При росте температуры значение индукции, на котором совершается переход, также увеличивается. (Иллюстрация автора работы.)

Поле в 8 Тл, которое устанавливается в экспериментах с URhGe, считается очень сильным. Несложно понять, что 10¹⁶Тл—это поистине гигантская величина, получить которую в лаборатории просто невозможно. Тем не менее г-н Чернодуб надеется экспериментально подтвердить свою теорию,воспользовавшись данными с Большого адронного коллайдера или Релятивистского коллайдера тяжёлых ионов. По мнению физика, движущиеся ионы в таких установках могутна чрезвычайно короткое—йоктосекундное, 10^–24с—время создавать поле с нужными параметрами.

Остаётся добавить, что перваястатьяо«сверхпроводящем»вакууме вышла в журнале Physical Review D в конце прошлого года. Новыйпрепринт,выложенный на сайт arXiv, подтверждает истинность представленных ранее результатов в рамках более«общей»модели Намбу—Иона-Лазинио, которую в определённом диапазоне параметров используют в качестве заменителя фундаментальной квантовой хромодинамики. Подробное описание этой модели можно найти встатьесотрудников Объединённого института ядерных исследований Михаила Волкова и Андрея Раджабова, опубликованной в журнале«Успехи физических наук».

Подготовлено по материаламPhysicsworld.Com.

Источник